KR20100005858A

KR20100005858A - 탄소 나노 튜브를 이용하는 엑스선 발생 장치

Info

Publication number: KR20100005858A
Application number: KR1020080065933A
Authority: KR
Inventors: 손채화; 최해영; 김종욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-01-18
Also published as: KR101023704B1

Abstract

본 발명은 전자방출원으로서 성능이 가장 우수한 것으로 입증된 탄소나노튜브에 기반하여 양자역학적 전계방출 원리로 방출되는 전자를 양극쪽으로 집속하기 위한 전자 집속 모듈을 구비하고, 간단한 모양으로 작게 제작이 용이하고, 저전력형, 고분해능을 가질 수 있도록 한 엑스선 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는, 탄소나노튜브 음극이 형성된 기판, 구멍 또는 함몰 부분을 가지며, 상기 구멍 또는 함몰 부분에 일정 높이 차이를 가지도록 상기 기판을 결합시키기 위한 스페이서, 상기 스페이서와 결합된 그리드 및 상기 그리드가 결합된 상기 스페이서 위에 결합된 전자 집속 모듈을 포함하고, 상기 기판과 상기 그리드 사이의 전압차를 이용하여 상기 탄소나노튜브 음극으로부터 발생시킨 전자빔을 상기 전자 집속 모듈로 집속하고, 집속된 전자빔을 엑스선 발생에 이용할 수 있다.

탄소나노튜브, 피어스(pierce) 타입, 포커스 타입, 전자 집속, X-ray

Description

탄소 나노 튜브를 이용하는 엑스선 발생 장치{X-ray Generation Apparatus using Carbon Nano-tube}

본 발명은 엑스선(X-ray) 발생 장치에 관한 것으로서, 특히, 전자방출원(electron emitter)으로서 성능이 가장 우수한 것으로 입증된 탄소나노튜브에 기반하여 양자역학적 전계방출(Field emission) 원리로 방출되는 전자를 양극쪽으로 집속하기 위한 전자 집속 모듈을 구비하고, 간단한 모양으로 작게 제작이 용이하고, 저전력형, 고분해능을 가질 수 있도록 한 엑스선 발생 장치에 관한 것이다.

엑스선이 발견된 이래로 엑스선 발생 장치를 이용한 진단 및 치료 등의 의료 분야 및 비파괴 검사와 같은 산업 분야에서 수 없이 이루어지고 있으며, 그 성능을 향상시키는 연구 또한 지속적으로 이루어지고 있다. 엑스선의 성능을 결정하는 요인에는 엑스선의 초점 크기, 선량, 엑스선의 방출 각도 등이 있으며,　많은 연구진들이 이와 같은 파라메타들을 향상시키는 연구를 해 오고 있다.

일반적으로 종래의 필라멘트 기반 및 탄소나노튜브 기반의 엑스선 발생 장치는 전자빔 집속을 위해 마그네틱 렌즈와 같은 복잡한 전자 집속 수단을 구비하고 있으나, 엑스선 이미지의 품질이 많이 떨어진다.

예를 들어, 텅스텐 필라멘트 타입의 엑스선 발생 장치는 열전자 방출을 통해서 원하는 양만큼의 전자 방출을 하기 위해서는 음극부 쪽에 고전압의 인가가 필요하다. 또한, 텅스텐 필라멘트에서 전자가 초기에 방출되는 위치 및 방향이 일정하지 않기 때문에 전자 집속 렌즈를 장착해도 전자가 양극부 타깃에 도달하는 시점이 차이가 있어 최종적으로 발생되는 엑스선의 에너지 분포에 영향을 많이 주게 되고 이로 인해 엑스선 촬영 시 이미지의 질이 떨어지게 된다. 종래의 엑스선 발생 장치는 이와 같이 복잡하고 비효율적인 전자 집속 시스템이 구비되어 있으나, 분해능이 떨어지고 안정한 엑스선을 방출시키지 못하는 문제점이 있다.

이외에도, 종래의 탄소나노튜브 기반의 엑스선 발생 장치는 전자 집속을 위한 모듈의 기판 가장자리 부분에 전계가 집중되어 전기적 아킹(arching)이 발생되고 이에 따라 탄소나노튜브 음극부의 수명이 단축되는 문제점이 있으며, 고분해능을 실현하기 위하여 이와 같은 점자 집속 모듈의 제작 비용이 많이 요구되어 현실성도 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 간단한 모양으로 작게 제작이 용이하며, 저전력으로 원하는 부위에 정확한 엑스선 영상을 얻을 수 있는 고분해능을 실현할 수 있는 전자 집속 모듈을 구비한 엑스선 발생 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 양호한 선질의 엑스선을 방출하기 위하여 전자 집속 모듈의 다양한 구조와 장착 전극의 개수를 변형하여 다양한 방식을 적용할 수 있도록 하고, 칩화를 통한 사이즈의 규격화 및 소형화를 실현할 수 있는 엑스선 발생 장치를 제공하는 데 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 탄소나노튜브를 기반으로 하는 방사선관의 음극 모듈에 있어서 기판의 가장자리 부분의 전계 집중으로 인한 전기적 아킹(arching)의 발생과 탄소나노튜브 음극부의 수명 단축을 해결하여, 기존 탄소나노튜브 기반의 엑스선관의 짧은 수명으로 인한 사업화의 비현실성 극복할 수 있는 엑스선 발생 장치를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 엑스선 발생 장치는, 탄소나노튜브 음극이 형성된 기판; 구멍 또는 함몰 부분을 가지며, 상기 구멍 또는 함몰 부분에 일정 높이 차이를 가지도록 상기 기판을 결합시키기 위한 스페이서; 상기 스페이서와 결합된 그리드; 및 상기 그리드가 결합된 상기 스페이서 위에 결합된 전자 집속 모듈을 포함하고, 상기 기판과 상기 그리드 사이의 전압차를 이용하여 상기 탄소나노튜브 음극으로부터 발생시킨 전자빔을 상기 전자 집속 모듈로 집속하고, 집속된 전자빔을 엑스선 발생에 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자 집속 모듈은, 순차로 결합되고 내부에 관통 구멍이 형성된 제1 유전체, 제1 포커스 전극, 및 제2 유전체를 포함할 수 있다. 상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍은, 한쪽 끝의 반경이 반대쪽 끝의 반경보다 작게 원형으로 형성되며, 상기 한쪽 끝이 상기 제1 유전체 쪽에 결합되고 상기 반대쪽 끝이 상기 제2 유전체 쪽에 결합될 수 있다.

상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 상기 한쪽 끝의 반경은 상기 제1 유전체의 관통 구멍의 반경과 일치하고, 상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 상기 반대쪽 끝의 반경은 상기 제2 유전체의 관통 구멍의 반경과 일치한다.

상기 제1 포커스 전극에 인가하는 전압과 상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 깊이 및 상기 한쪽 끝과 상기 반대쪽 끝의 반경 차이에 의한 상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 경사 각도에 의하여 상기 전자빔의 초점 거리를 조절할 수 있다.

상기 전자 집속 모듈은, 상기 그리드 위에 순차 결합되고 내부에 관통 구멍이 형성된 제1 유전체, 제1 포커스 전극, 제2 유전체, 제2 포커스 전극 및 제3 유전체를 포함할 수 있다.

상기 제1 포커스 전극과 상기 제2 포커스 전극 사이에 상기 제2 유전체 이외 에 적어도 한번 이상의 다른 포커스 전극과 다른 유전체의 쌍을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 유전체와 상기 제3 유전체 사이에 결합된 모든 포커스 전극과 모든 유전체의 관통 구멍은, 한쪽 끝의 반경이 반대쪽 끝의 반경보다 작게 원형으로 형성되며, 결합되는 포커스 전극과 유전체 사이의 결합 부위의 반경이 서로 일치하도록 연이어 결합된다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 엑스선 발생 장치는, 속이 빈 반구 형체로서 일정 두께를 가지며, 중심 부근에 구멍을 가지는 컵 타입 포커스 전극; 상기 구멍에 들어가 체결되는 하우징 상에 결합되며, 상기 컵 타입 포커스 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 하우징의 체결 방향의 끝면에 탄소나노튜브 음극이 형성된 기판; 및 상기 탄소나노튜브 음극과 일정 거리 이격되어 설치된 그리드를 포함하고, 상기 기판과 상기 그리드 사이의 전압차를 이용하여 상기 탄소나노튜브 음극으로부터 발생시킨 전자빔을 상기 컵 타입 포커스 전극으로 집속하고, 집속된 전자빔을 엑스선 발생에 이용할 수 있다.

상기 엑스선 발생 장치는 상기 전자빔을 수용하여 엑스선을 발생시키는 양극부를 더 포함할 수 있다.

상기 양극부는, 경사면을 가지는 금속을 포함하고, 상기 경사면에 충돌하는 상기 전자빔의 에너지에 의하여 엑스선을 발생시킬 수 있다.

상기 양극부는, 상기 전자빔의 진행 방향으로부터 상기 전자빔과 직각 방향으로 관통하는 L자 또는 역 L자 형 구멍을 가지고, 상기 진행 방향으로 들어와 상 기 구멍 속의 경사면에서 충돌하는 상기 전자빔의 에너지에 의하여 발생된 엑스선이 상기 구멍을 통하여 상기 직각 방향으로 방출될 수도 있다.

본 발명에 따른 엑스선 발생 장치에 따르면, 탄소나노튜브 기반 엑스선관 제작을 위한 전자 집속 모듈을 기존에는 볼수 없었던 방식으로 고집속 형태로 제작할 수 있으며, 기존의 일자 형태의 포커스 전극에 비해서 피어스 타입의 전극을 이용할 경우 전자 집속 능력이 상당히 개선될 수 있다. 이때, 포커스 전극의 안쪽 벽면으로 손실되는 전자의 양도 줄어들며, 각 유전체의 유전율에 따라서 전자의 집속도를 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치에 따르면, 멀티 포커스 전극을 이용하여 각 포커스의 전압과 절연용 유전체의 유전율의 조합으로 집속 능력을 더욱 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치에 따르면, 탄소나노튜브 음극부로부터의 전자빔의 고른 방출을 유도하여 관전류의 효율을 높일 수 있고 음극부의 수명에 관계없이 탄소나노튜브 기반의 방사선관의 상업화 시기를 앞당길 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치에 따르면, 엑스선관의 크기를 줄여서 자유롭게 위치할 수 있게 함으로써 사용자 친화적 상품으로 개발 가능한 구조를 가지며, 치과진단용이나 근접치료기(brachytherapy)와 같이 전자빔의 고집속에 의한 방사선 치료나 비파괴 검사와 같은 산업 분야의 방사선 발생을 위한 내부 모듈로 사용되어 전압 및 전류량을 촬영부위에 따라 선택할 수 있도록 실현 가능하고 매뉴얼 형태로 조절도 가능하게 하여 피사체의 모양에 따른 제약을 해소 할 수 있다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피어스(pierce) 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치는, 하우징(housing)(11), 스페이서(spacer)(12), CNT(Carbon Nano-Tube) 기판(13), 그리드(14), 양극부(18), 및 전자 집속 모듈을 포함한다. 전자 집속 모듈은 절연용 유전체(15), 포커스 전극(16), 및 빔 가이드용 유전체(17)를 포함할 수 있다.

CNT 기판(13) 상에는 전자방출을 위한 탄소나노튜브 음극이 형성된다. CNT 기판(13)을 위한 금속 기판의 모서리 부분은 부드럽게 굴곡 처리하기 위하여 그라인딩될 수 있다.

이때, 스크린프린팅 방법(screen printing method)으로 탄소나노튜브의 음극을 제조할 경우에, 전도성　금속 기판의 전면에 스프레이건을 이용하여 탄소나노튜브 파우더를 2내지 3회 반복하여 뿌려 적정량의 탄소나노튜브가 기판위에 도포되도록 할 수 있다.

또는, 탄소나노튜브를 CVD(chemical vapor deposition)방법을 통하여 제작할 때에는, 위와 같이 모서리가 부드럽게 처리된 금속 기판 위에 TiN과 같은 버퍼층(buffer layer)을 도포하고, 그 위에Ni 혹은 Fe와 같은 촉매 물질(catalyst)를 도포한 후, 아르곤이나 헬륨과 같은 가스로 에칭 작업을 하여 시드 입자(seed particle)를 형성하고, 이 후 C₂H₂와 같은 탄소나노튜브 소스 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.

이때, 탄소나노튜브를 기판에 성장 시킬 때, 기판의 바깥쪽을 제외한 중심 부분에만　탄소나노튜브가 도포되도록 하여 음극을 제조할 수 있다.

이와 같은 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양의 결정 격자가 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있으며, 관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 이러한 탄소나노튜브는 직경이 나노미터 크기이며 길이는 수십 나노에서 수십 마이크로미터까지 성장이 가능하므로 전자의 전계방출 능력을 결정하는 파라미터인 β값(field enhancement factor)이 1000이상으로 다른 물질들에 비해 크므로 기존의 텅스텐 필라멘트에서 열전자 방출로 전자를 추출하는 방법보다 훨씬 손쉽게 전자를 방출하는 구조를 가지며, 같은 양의 전자를 추출하는데 있어서 양자역학적인 전계방출(field emission)방식을 이용하므로 열전자방출방식에 비하여 상대적으로 적은 전력이 소비된다.

한편, 하우징(11)에 스페이서(12)가 장착되고, 스페이서(12)는 원형 등의 형태로 구멍 또는 함몰 부분을 가지며, 이와 같은 구멍 또는 함몰 부분에 일정 높이 차이를 가지도록 CNT 기판(13)을 결합시킬 수 있다.

그리드(14)는 스페이서(12)와 결합되고 위와 같은 CNT 기판(13)과 스페이서(12) 사이의 단차(높이 차이)에 의하여 CNT 기판(13) 상의 음극과 그리드(14) 사이에는 약간의 공간이 형성될 수 있다.

순차로 결합되고 내부에 관통 구멍이 형성된 절연용 유전체(15), 포커스 전극(16), 및 빔 가이드용 유전체(17)로 이루어지는 전자 집속 모듈은, 위와 같이 그리드(14)가 결합된 스페이서(12) 위에 결합될 수 있다.

이에 따라 CNT 기판(13)과 그리드(14) 사이에 적절한 전압, 예를 들어, CNT 기판(13)은 접지하고, 그리드(14)에는 양의 전압을 인가함으로써, CNT 기판(13)과 그리드(14) 사이의 전압차에 의하여 CNT 기판(13) 상의 탄소나노튜브 음극으로부터 전자빔을 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자빔은 위와 같은 구조의 전자 집속 모듈에 의하여 집속되어 양극부(18)로 진행한다. 이와 같이 집속되어 방출되는 전자빔은 양극부(18)에서 수용되고, 양극부(18)의 금속 경사면에 충돌된 전자빔은 고 에너지를 금속에 가함으로써 엑스선을 발생시킬 수 있다.

포커스 전극(16)의 관통 구멍은, 도 1과 같이 한쪽 끝(절연용 유전체(15)와 결합되는 쪽)의 반경이 반대쪽 끝(빔 가이드용 유전체(17)와 결합되는 쪽)의 반경보다 작게 원형으로 형성될 수 있다. 해당 결합되는 부분에서 빔 가이드용 유전체(17)의 반경과 포커스 전극(16)의 관통 구멍의 반경은 일치하며, 또한 해당 결합되는 부분에서 절연용 유전체(15)와 포커스 전극(16)의 관통 구멍의 반경은 일치한다.

이와 같은 구조에 따라 도 1과 같은 구조의 음극 중심선상(R=0, Z=0)으로부터 상부에서 전자빔의 포커싱 형태에 대한 추정 결과를 도시한 도 6과 같이, 적절히 전압이 인가된 포커스 전극(16)쪽으로 전자의 흐름이 이동되었다가 빔 가이드용 유전체(17)의 끝(Z=30) 쪽에서 전자빔이 포커싱되어 잘 집속되고 있음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 탄소나노튜브 기반 엑스선관 제작을 위한 전자 집속 모듈을 기존에는 볼수 없었던 방식으로 고집속 형태로 제작할 수 있으며, 기존의 일자 형태의 포커스 전극에 비해서 피어스 타입의 전극을 이용할 경우 전자 집속 능력을 상당히 개선할 수 있다. 이때, 포커스 전극의 안쪽 벽면으로 손실되는 전자의 양도 줄어들며, 각 유전체의 유전율에 따라서 전자의 집속도를 개선할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 음극으로부터의 전자빔의 고른 방출을 유도하여 관전류의 효율을 높일 수 있고 음극부의 수명에 관계없이 탄소나노튜브 기반의 방사선관의 상업화 시기를 앞당길 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피어스 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치는, 하우징(21), 스페이서(22), CNT 기판(23), 그리드(24), 양극부(30), 및 전자 집속 모듈을 포함한다. 여기서, 전자 집속 모듈은 절연용 유전체(25), 제1포커스 전극(26), 절연용 유전체(27), 제2포커스 전극(28), 및 빔 가이드용 유전체(29)를 포함할 수 있다.

도 2에서, 하우징(21), 스페이서(22), CNT 기판(23), 그리드(24), 및 양극부(30)는, 도 1의 하우징(11), 스페이서(12), CNT기판(13), 그리드(14), 및 양극부(18)와 유사하게 결합되어 동작한다. 다만, 전자 집속 모듈의 절연용 유전체(25)와 빔 가이드용 유전체(29) 사이에 결합된 모든 포커스 전극(26, 28)과 유전체(27)의 관통 구멍은, 한쪽 끝의 반경이 반대쪽 끝의 반경보다 크게 원형으로 형성되며, 결합되는 해당 포커스 전극과 유전체 사이의 결합 부위의 반경이 서로 일치하도록 연이어 결합되어 있다. 이와 같이 전자 집속 모듈이 멀티 포커스 전극을 포함하여 각 포커스의 전압과 절연용 유전체의 유전율의 조합으로 집속 능력을 더욱 개선할 수 있도록 하였다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 피어스 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치는, 하우징(31), 스페이서(32), CNT 기판(33), 그리드(34), 양극부(38), 및 전자 집속 모듈을 포함한다. 여기서, 전자 집속 모듈은 절연용 유전체(35), 포커스 전극(36), 및 빔 가이드용 유전체(37)를 포함할 수 있다.

도 3의 구조는 도 1과 유사하다, 다만, 포커스 전극(36)의 한쪽 끝과 반대쪽 끝의 반경 차이가 도 1의 포커스 전극(16)에서의 그 차이와 다르며, 그 관통 구멍의 깊이에서도 서로 차이가 있다. 즉, 이와 같이, 포커스 전극(36)의 관통 구멍의 깊이를 조절하거나 포커스 전극(36)의 한쪽 끝과 반대쪽 끝의 반경 차이를 다르게 하기, 또는 관통 구멍의 경사 각도를 다르게 함으로써 양극부(38) 쪽으로 방출되는 전자빔의 초점 거리를 조절할 수 있도록 한 것이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 피어스 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치는, 하우징(41), 스페이서(42), CNT 기판(43), 그리드(44), 양극부(54), 및 전자 집속 모듈을 포함한다. 여기서, 전자 집속 모듈은 절연용 유전체(45), 제1포커스 전극(46), 절연용 유전체(50), 제2포커스 전극(47), 절연용 유전체(51), 제3포커스 전극(48), 절연용 유전체(52), 제4포커스 전극(49), 및 빔 가이드용 유전체(53)를 포함할 수 있다.

도 2에서, 하우징(41), 스페이서(42), CNT 기판(43), 그리드(44), 양극부(54)는, 도 1의 하우징(11), 스페이서(12), CNT기판(13), 그리드(14), 및 양극부(18)와 유사하게 결합되어 동작한다. 다만, 전자 집속 모듈의 절연용 유전체(45)와 빔 가이드용 유전체(53) 사이에는, 도 2의 구조를 확장하여 더 많은 포커스 전극과 포커스 전극 사이에 절연용 유전체를 결합한 구조이다. 즉, 제1포커스 전극(46)과 제4포커스 전극(49) 사이에 절연용 유전체를 한번만 사용한 구조는 도 2의 구조와 동일하지만, 더 나아가 제1포커스 전극(46)과 제4포커스 전극(49) 사이에 결합된 절연용 유전체(예를 들어, 50) 이외에도, 적어도 한번 이상의 다른 포커스 전극과 다른 유전체의 쌍(예를 들어, 47과 51의 결합 쌍, 또는 48과 52의 결합 쌍)이 추가적으로 결합되어 있다.

여기서, 절연용 유전체(45)와 빔 가이드용 유전체(53) 사이에 결합된 모든 포커스 전극(46, 47, 48, 49)과 모든 유전체(50, 51, 52)의 관통 구멍은, 한쪽 끝의 반경이 반대쪽 끝의 반경보다 작게 원형으로 형성되며, 결합되는 포커스 전극과 유전체 사이의 결합 부위의 반경이 서로 일치하도록 연이어 결합되어 있다.

양극부(54)는 도 1내지 도 3과 같이 단순한 경사면이 있는 금속 재질을 사용할 수도 있지만, 도 4와 같이, 전자빔의 진행 방향으로부터 전자빔과 직각 방향으로 관통하는 L자 또는 역 L자 형 구멍을 가지고, 전자빔의 진행 방향으로 들어와 구멍 속의 경사면에서 충돌하는 전자빔의 에너지에 의하여 발생된 엑스선이 위와 같은 구멍을 통하여 전자빔의 직각 방향으로 방출되도록 할 수도 있다.

여기서, 도 2는 2개의 포커스 전극(26, 28)을 적용한 구조를 설명하였고, 도 4는 4개의 포커스 전극(46, 47, 48, 49)을 적용하는 구조를 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 절연용 유전체(45)와 빔 가이드용 유전체(53) 사이에는 도 1 또는 도 3과 같이 한 개의 포커스 전극이 사용될 수도 있으며, 도시하지는 않았지만, 3, 5,6,7..개의 포커스 전극이 사용될 수도 있다. 이때 포커스 전극들 사이에는 해당 절연용 유전체가 결합될 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포커싱 컵 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포커싱 컵 타입의 엑스선 발생 장치는, 하우징(61), 컵 타입 포커스 전극(62), CNT 기판(63), 그리드(64), 및 양극부(65)를 포함한다.

컵 타입 포커스 전극(62)은 속이 빈 반구 형체로서 일정 두께를 가지며, 중 심 부근에 구멍을 가진다. 컵 타입 포커스 전극(62)의 구멍을 통하여 하우징(61)이 체결될 수 있고, 하우징(61)의 체결 방향의 끝면에 CNT 기판(63)이 결합된다. CNT 기판(63)은 컵 타입 포커스 전극(62)과 전기적으로 연결되도록 결합되며, 그리드(64)는CNT 기판(63) 상의 탄소나노튜브 음극과 일정 거리 이격되어 설치된다.

이에 따라, CNT 기판(63)과 그리드(64) 사이에 적절한 전압, 예를 들어, CNT 기판(63)은 접지하고, 그리드(64)에는 양의 전압을 인가함으로써, CNT 기판(63)과 그리드(64) 사이의 전압차에 의하여 CNT 기판(63) 상의 탄소나노튜브 음극으로부터 전자빔을 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자빔은 위와 같은 구조의 컵 타입 포커스 전극(62)에 의하여 집속되어 양극부(65)로 진행한다. 이와 같이 집속되어 방출되는 전자빔은 양극부(65)에서 수용되고, 양극부(65)의 금속 경사면에 충돌된 전자빔은 고 에너지를 금속에 가함으로써 엑스선을 발생시킬 수 있다.

여기서도, 양극부(65)는 도 1내지 도 3과 같은 단순 경사면 형태일 수도 있고, 또는 도 4와 같은 L자 또는 역 L자 형태의 구멍을 가지는 형태일 수도 있다.

이와 같은 도 1내지 도 5와 같은 구조의 본 발명의 실시예들에 따른 엑스선 발생 장치는, 엑스선관의 크기를 줄여서 자유롭게 위치할 수 있게 함으로써 사용자 친화적 상품으로 개발 가능한 구조이다. 이는 치과진단용이나 근접치료기(brachytherapy)와 같이 전자빔의 고집속에 의한 방사선 치료나 비파괴 검사와 같은 산업 분야의 방사선 발생을 위한 내부 모듈로 사용되어 전압 및 전류량을 촬영부위에 따라 선택할 수 있도록 실현 가능하고 매뉴얼 형태로 조절도 가능하게 하여 피사체의 모양에 따른 제약 없이 사용될 수 있도록 개발이 용이하게 하였다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피어스 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 피어스 타입의 전자 집속 모듈을 채용한 탄소나노튜브 기반 엑스선 발생 장치에서의 전자빔 포커싱 형태를 설명하기 위한 도면이다.

Claims

탄소나노튜브 음극이 형성된 기판;

구멍 또는 함몰 부분을 가지며, 상기 구멍 또는 함몰 부분에 일정 높이 차이를 가지도록 상기 기판을 결합시키기 위한 스페이서;

상기 스페이서와 결합된 그리드; 및

상기 그리드가 결합된 상기 스페이서 위에 결합된 전자 집속 모듈을 포함하고,

상기 기판과 상기 그리드 사이의 전압차를 이용하여 상기 탄소나노튜브 음극으로부터 발생시킨 전자빔을 상기 전자 집속 모듈로 집속하고, 집속된 전자빔을 엑스선 발생에 이용하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 전자 집속 모듈은,

순차로 결합되고 내부에 관통 구멍이 형성된 제1 유전체, 제1 포커스 전극, 및 제2 유전체

를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍은,

한쪽 끝의 반경이 반대쪽 끝의 반경보다 작게 원형으로 형성되며, 상기 한쪽 끝이 상기 제1 유전체 쪽에 결합되고 상기 반대쪽 끝이 상기 제2 유전체 쪽에 결합 되는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 상기 한쪽 끝의 반경은 상기 제1 유전체의 관통 구멍의 반경과 일치하고,

상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 상기 반대쪽 끝의 반경은 상기 제2 유전체의 관통 구멍의 반경과 일치하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제4항에 있어서,

상기 제1 포커스 전극에 인가하는 전압과

상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 깊이 및 상기 한쪽 끝과 상기 반대쪽 끝의 반경 차이에 의한 상기 제1 포커스 전극의 관통 구멍의 경사 각도에 의하여 상기 전자빔의 초점 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 전자 집속 모듈은,

상기 그리드 위에 순차 결합되고 내부에 관통 구멍이 형성된 제1 유전체, 제1 포커스 전극, 제2 유전체, 제2 포커스 전극 및 제3 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1 포커스 전극과 상기 제2 포커스 전극 사이에 상기 제2 유전체 이외에 적어도 한번 이상의 다른 포커스 전극과 다른 유전체의 쌍

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 제1 유전체와 상기 제3 유전체 사이에 결합된 모든 포커스 전극과 모든 유전체의 관통 구멍은,

한쪽 끝의 반경이 반대쪽 끝의 반경보다 작게 원형으로 형성되며, 결합되는 포커스 전극과 유전체 사이의 결합 부위의 반경이 서로 일치하도록 연이어 결합되는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
속이 빈 반구 형체로서 일정 두께를 가지며, 중심 부근에 구멍을 가지는 컵 타입 포커스 전극;

상기 구멍에 들어가 체결되는 하우징 상에 결합되며, 상기 컵 타입 포커스 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 하우징의 체결 방향의 끝면에 탄소나노튜브 음극이 형성된 기판; 및

상기 탄소나노튜브 음극과 일정 거리 이격되어 설치된 그리드를 포함하고,

상기 기판과 상기 그리드 사이의 전압차를 이용하여 상기 탄소나노튜브 음극으로부터 발생시킨 전자빔을 상기 컵 타입 포커스 전극으로 집속하고, 집속된 전자빔을 엑스선 발생에 이용하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전자빔을 수용하여 엑스선을 발생시키는 양극부

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제10항에 있어서, 상기 양극부는,

경사면을 가지는 금속을 포함하고,

상기 경사면에 충돌하는 상기 전자빔의 에너지에 의하여 엑스선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
제10항에 있어서, 상기 양극부는,

상기 전자빔의 진행 방향으로부터 상기 전자빔과 직각 방향으로 관통하는 L자 또는 역 L자 형 구멍을 가지고, 상기 진행 방향으로 들어와 상기 구멍 속의 경사면에서 충돌하는 상기 전자빔의 에너지에 의하여 발생된 엑스선이 상기 구멍을 통하여 상기 직각 방향으로 방출되는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.